基于混合调制的多电平逆变器中点电压平衡控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于混合调制的多电平逆变器中点电压平衡控制方法。步骤为：在每个控制周期内，数字处理控制模块的采样单元检测多电平逆变器直流母线的中点与正极之间的电容瞬时电压、直流母线的中点与负极之间的电容瞬时电压，并确定该两个电容瞬时电压的偏差，经脉宽调制策略切换单元选择SVPWM或DPWM控制方式工作，由SVPWM/DPWM控制处理单元输出控制信号，经驱动电路输出PWM信号控制多电平逆变器每相桥臂开关管的工作状态，同时控制多电平逆变器中点电压平衡。本发明的控制方法具有降低开关频率、减少开关损耗，输出电压、电流谐波小，输出波形质量高且便于数字化实现等优点，具有重大的工程应用价值。
【专利说明】基于混合调制的多电平逆变器中点电压平衡控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力电子变换技术中的控制【技术领域】，特别是一种基于混合调制的多电平逆变器中点电压平衡控制方法。
【背景技术】
[0002]传统的两电平逆变器的控制方法简单，实现容易，但是也存在输出谐波畸变率高，开关管承受电压应力大，效率低的缺点。多电平逆变器具有对开关器件的耐压等级低、等效开关频率高及输出波形谐波小等优点，因而在中高压大功率变换电路中得到广泛应用。为了产生输出相电压中有多种电平，T型或者NPC型逆变器拓扑中都必须用到两个直流母线电容。理想情况下，每个电容电压为直流母线电压的一半，但实际情况这两种拓扑都会存在一个共性的问题即中点电压不平衡。当直流侧的两个电容电压不相等时，将会增加逆变器桥臂中开关管的电压应力，输出电压存在低频的脉动(如三次谐波)，增加系统输出电压、电流的谐波，影响输出波形质量。
[0003]引起中点电压不平衡的原因主要有:
[0004]I)由于工艺制造的误差造成的实际电容容值偏差；
[0005]2)开关管的特性不一致；
[0006]3)三相不平衡运行。
[0007]为了解决中点电压不平衡问题，国内外学者提出了很多方法，主要有两种方法:一种是基于正弦脉宽调制(SPWM)技术，通过注入零序分量维持中点电压平衡；另一种是基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术，通过调节冗余小矢量的作用时间来控制中点电压。在SPWM方式中，主要通过向三相调制波中注入零序分量来维持中点电压平衡。但是零序电压的运算需要技巧，一般是通过“预估-校验-修正”的方法，运算量大且方法复杂。在SVPWM方式中常用的方法是计算分配因子，由分配因子决定每对冗余小矢量的相对作用时间。不同的扇区，不同的三角形内，分配因子计算的公式不一样；该方式处理复杂，运算量大。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种实时性好、处理过程简单且易实现数字化的基于混合调制的多电平逆变器中点电压平衡控制方法。
[0009]实现本发明目的的技术解决方案为:一种基于混合调制的多电平逆变器中点电压平衡控制方法，在每个控制周期内，数字处理控制模块的采样单元检测多电平逆变器直流母线的中点与正极之间的电容瞬时电压、直流母线的中点与负极之间的电容瞬时电压，并确定该两个电容瞬时电压的偏差，经脉宽调制策略切换单元选择SVPWM或DPWM控制方式工作，由SVPWM/DPWM控制处理单元输出控制信号，经驱动电路输出PWM信号控制多电平逆变器每相桥臂开关管的工作状态，同时控制多电平逆变器中点电压平衡，具体方法包括以下步骤:
[0010]步骤1、采样单元分别采样多电平逆变器的直流母线电压、直流母线的中点与正极之间的电容瞬时电压、直流母线的中点与负极之间的电容瞬时电压、多电平逆变器输出的三相电压信号以及多电平逆变器输出的三相电流信号；
[0011]步骤2、脉宽调制策略切换单元根据步骤I中所述两个电容瞬时电压的偏差信号，选择SVPWM控制方式或者DPWM控制方式工作；
[0012]步骤3、SVPWM/DPWM控制处理单元根据步骤I中采样单元输出的三相电压信号与三相电流信号、直流母线电压信号、以及步骤2中选择的控制方式，确定当前开关周期内多电平逆变器的每相桥臂开关管的控制信号；
[0013]步骤4、驱动电路将SVPWM/DPWM控制处理单元输出的开关管控制信号分配给多电平逆变器的每相桥臂各个开关管，控制多电平逆变器的工作状态和中点电压平衡。
[0014]与现有技术相比，本发明的显著优点在于:(1)采用空间矢量调制(SVPWM)与不连续调制(DPWM)方式相结合的混合调制策略实现多电平逆变器的中点电压平衡，能够发挥传统SVPWM稳定控制和输出电压电流谐波小的优势，又能够在中点电压出现不平衡的时候，体现DPWM控制有效实现中点电压平衡控制、降低系统等效开关频率从而减少开关损耗的功效；(2)电感电流纹波减小，谐波小、输出波形质量较高；(3)具有实现逆变器中点电压平衡控制的功能，且能够降低开关损耗来提高变换效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明基于混合调制的多电平逆变器中点电压平衡控制方法的装置结构图。
[0016]图2是T型和NPC型三电平逆变器拓扑结构图。
[0017]图3是三电平空间矢量分布图。
[0018]图4是以图3中第一扇区第二小三角形为例矢量序列与三相负载连接状态电路图。
[0019]图5是以图3中第一扇区第二小三角形为例的中点电压不平衡时传统SVPWM方法与本发明方法的矢量对应图，其中(a)为传统SVPWM方法，(b)为本发明方法。
[0020]图6是本发明基于混合调制的多电平逆变器中点电压平衡控制方法的流程图。
[0021]图7是实施例中在0.02s时加入本发明的控制方式前后的上下直流母线电压波形图。
【具体实施方式】
[0022]本发明采用结合空间矢量调制(SVPWM)和不连续调制(DPWM)控制方式实现中点电压平衡，闭环控制方法根据电容瞬时电压是否偏差选择脉宽调制控制方式，即在中点电压平衡时，选择SVPWM控制方式工作；中点电压不平衡时，选择DPWM控制方式工作。在相应的脉宽调制控制方式下确定当前控制周期内多电平逆变器的每相开关管的控制信号。经驱动电路控制多电平逆变器的每相的工作状态从而实现通过控制输出高低电平的时间实现中点电压平衡。
[0023]结合图1，本发明基于混合调制的多电平逆变器中点电压平衡控制方法，在每个控制周期内，数字处理控制模块的采样单元检测多电平逆变器直流母线的中点与正极之间的电容瞬时电压、直流母线的中点与负极之间的电容瞬时电压，并确定该两个电容瞬时电压的偏差，经脉宽调制策略切换单元选择SVPWM或DPWM控制方式工作，由SVPWM/DPWM控制处理单元输出控制信号，经驱动电路输出PWM信号控制多电平逆变器每相桥臂开关管的工作状态，同时控制多电平逆变器中点电压平衡，具体方法包括以下步骤:
[0024]步骤1、采样单元分别采样多电平逆变器的直流母线电压、直流母线的中点与正极之间的电容瞬时电压、直流母线的中点与负极之间的电容瞬时电压、多电平逆变器输出的三相电压信号以及多电平逆变器输出的三相电流信号。
[0025]步骤2、脉宽调制策略切换单元根据步骤I中所述两个电容瞬时电压的偏差信号，选择SVPWM控制方式或者DPWM控制方式工作。所述选择SVPWM控制方式或者DPWM控制方式工作的标准为:
[0026]判断直流母线中点电压变化量Λ Vnp是否在误差范围内:若I AVnp| < Verro，则选择SVPWM控制方式工作；否则选择DPWM控制方式工作，其中直流母线中点电压变化量AVnp为:
[0027]
【权利要求】
1.一种基于混合调制的多电平逆变器中点电压平衡控制方法，其特征在于，在每个控制周期内，数字处理控制模块的采样单元检测多电平逆变器直流母线的中点与正极之间的电容瞬时电压、直流母线的中点与负极之间的电容瞬时电压，并确定该两个电容瞬时电压的偏差，经脉宽调制策略切换单元选择SVPWM或DPWM控制方式工作，由SVPWM/DPWM控制处理单元输出控制信号，经驱动电路输出PWM信号控制多电平逆变器每相桥臂开关管的工作状态，同时控制多电平逆变器中点电压平衡，具体方法包括以下步骤: 步骤1、采样单元分别采样多电平逆变器的直流母线电压、直流母线的中点与正极之间的电容瞬时电压、直流母线的中点与负极之间的电容瞬时电压、多电平逆变器输出的三相电压信号以及多电平逆变器输出的三相电流信号； 步骤2、脉宽调制策略切换单元根据步骤I中所述两个电容瞬时电压的偏差信号，选择SVPWM控制方式或者DPWM控制方式工作； 步骤3、SVPWM/DPWM控制处理单元根据步骤I中采样单元输出的三相电压信号与三相电流信号、直流母线电压信号、以及步骤2中选择的控制方式，确定当前开关周期内多电平逆变器的每相桥臂各个开关管的控制信号； 步骤4、驱动电路将SVPWM/DPWM控制处理单元输出的开关管控制信号分配给多电平逆变器的每相桥臂各个开关管，控制多电平逆变器的工作状态和中点电压平衡。
2.根据权利要求1所述的基于混合调制的多电平逆变器中点电压平衡控制方法，其特征在于，步骤2中所述选择SVPWM控制方式或者DPWM控制方式工作的标准为: 判断直流母线中点电压变化量AVnp是否在误差范围内:若I AVnp| <Verro，则选择SVPWM控制方式工作；否则选择DPWM控制方式工作，其中直流母线中点电压变化量AVnp为:
3.根据权利要求1所述的基于混合调制的多电平逆变器中点电压平衡控制方法，其特征在于，所述数字处理控制模块由STM32F407芯片实现。
4.根据权利要求2所述的基于混合调制的多电平逆变器中点电压平衡控制方法，其特征在于，所述DPWM控制方式工作具体包括以下步骤: 确定多电平逆变器的a、b、c三相动作时刻t_、tbm、tcon,并判断直流母线中点电压变化量AVnp是否小于O: 如果Λ Vnp < 0，将所得每相的动作时刻均减去三相中动作时刻最小值tOTin ;如果AVnp> 0，将所得每相的动作时刻均加上
【文档编号】H02M7/483GK103746585SQ201410012058
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月10日 优先权日:2014年1月10日
【发明者】吕建国, 胡文斌, 吴馥云, 吴军基 申请人:南京理工大学